拓撲絕緣體開啟物理研究新紀年

文/高妍 楊進平

拓撲絕緣體開啟物理研究新紀年

文/高妍 楊進平

2009年，張首晟與中科院物理所的理論團從理論上預期了三維拓撲絕緣體的存在。

隨后，由清華大學物理系以及中科院物理所組成的實驗研究團隊，制備出了高質量的薄膜。

拓撲絕緣體

拓撲絕緣體，近年發現的一種全新量子物質態，最早在2005年提出，因其特異結構和優異性能而備受關注。

拓撲絕緣體的出現為未來電子技術的發展提供了新的思路。

拓撲，最抽象的數學概念之一。

絕緣體，一種非常具體的材料。

拓撲絕緣體，近年發現的一種全新量子物質態。這個新奇的概念，不僅將兩個隔行隔山的名詞聯系在了一起，更因自身奇特的電子結構和優異性能成為凝聚態理論研究的熱門領域。

張首晟，“千人計劃”入選者，清華大學高等研究院、斯坦福大學物理系講座教授，拓撲絕緣體研究領域的開創者之一。

新奇的拓撲絕緣體

眾所周知，傳統固體材料可按導電性質劃分為絕緣體和導體，絕緣體不導電，而導體導電，多為金屬材料。無論導體抑或絕緣體，盡管可在一定情況下發生轉化，但相對來說，它們的導電屬性是確定的，非此即彼。

而拓撲絕緣體卻完全不同。張首晟介紹，從理論上分析，拓撲絕緣體材料的體電子態是有能隙的絕緣態，而其表面卻是無能隙的金屬態。簡而概之，拓撲絕緣體具有絕緣體和導體的雙重性，內部是絕緣體，表面卻是金屬性的導體。

同時，拓撲絕緣體的表面金屬態也完全不同于一般意義上由于表面未飽和鍵或者是表面重構導致的表面態，其表面金屬態完全由材料體電子態的拓撲結構決定，與表面的具體結構無關。也正是因為其表面金屬態的出現由拓撲結構對稱性所決定，所以它的存在非常穩定，基本不會受到雜質與無序的影響。

拓撲絕緣體的特異結構決定了拓撲絕緣體材料具有獨特的優點。首先，這類材料是純的化學相，非常穩定且容易合成；其次，這類材料表面態中只有一個狄拉克點存在，是最簡單的強拓撲絕緣體，這種簡單性為理論模型的研究提供了很好的平臺；第三，也是非常吸引人的一點，該材料的體能隙非常大，遠遠超出室溫能量尺度，這也意味著有可能實現室溫低能耗的自旋電子器件。

這些重要特征保證了拓撲絕緣體將有可能在未來的電子技術發展中獲得重要的應用，有著巨大的應用潛力。目前，尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學穩定性的強拓撲絕緣體材料，已經成為人們關注和研究的焦點。

拓撲絕緣體的前世今生

拓撲絕緣體的概念最早在2005年提出。張首晟介紹，這一概念的提出最早只是一個理論預言。

電子能量消耗是目前半導體行業乃至整個信息技術發展遇到的最大難題，計算過程中電子的無序碰撞便是造成電子能量消耗的最大原因。而拓撲絕緣體概念的根本前提就是電子之間“各行其道，互不干擾”——將電子有序分開，避免碰撞帶來無謂消耗，再推動其各自高速運行，最終提升運算速度。

“我們預言了一些材料，它們有非常奇妙的性質。如果把這些材料變成二維體系，那你會看到：電子全部行走在邊緣上，并且各行其道、互不干擾。”張首晟解釋說。在這個預言里，他設定了具體的現象，預言了哪些材料在哪種情況下采用何種方法才會實現哪種效應。而要讓美好愿望變成現實，就要采用科學的方法和手段，充分利用自然規律來實現。“我們主要利用量子自旋摩爾效應，通過調控電子的自旋來改變它的運動方式。”

21世紀初，張首晟帶領團隊開始研究兩維拓撲絕緣體，也就是量子自旋霍爾效應。

霍爾效應最初由科學家埃德溫?霍爾在19世紀末發現，即通電導體在磁場作用下能使電流運動方向改變90o。1980年，科學家又發現在極低溫和強磁場條件下，霍爾效應會呈現電子按順時針沿導體邊緣運動，即量子化的表現形式，這就是量子霍爾效應。量子霍爾效應的發現給物理學界帶來了重大的影響，曾兩次被授于諾貝爾獎。與無序運動導致熱量消耗相比，量子霍爾效應中的電流幾乎沒有能量損失，由此引發了科學界研制新的電腦元器件的設想。

電子是電流的載體，它除了負有電荷以外，還具有一種叫做自旋的性質，這種自旋也會出現量子霍爾效應，這就是“量子自旋霍爾效應”。在這種效應下，同樣沒有能量損耗，所不同的是它不需要強磁場和極低溫的苛刻條件。如果能夠在室溫下實現量子自旋霍爾效應，這無疑會突破摩爾定律的限制，很有可能催生新的幾乎不發熱的電腦元器件。

2006年，張首晟小組提出了“量子自旋霍爾效應”的預估理論，并在《科學》雜志上發表。2007年，“量子自旋霍爾效應”在其合作伙伴德國Wurzburg大學的實驗室進行了確認，并在碲化汞半導體材料上實驗成功。同年，“量子自旋霍爾效應”被納入《科學》雜志2007年重大科學發現之一。也正是因為這一開創性貢獻，張首晟于2010年被授予“歐洲物理獎”。

在這之后，張首晟加強了與國內研究單位的合作。2009年，張首晟與中科院物理所方忠研究員、戴希研究員以及張海軍博士組成的理論團隊向世界宣布，他們從理論上預言了三維拓撲絕緣體的存在。

隨后，由清華大學物理系薛其坤院士、陳曦教授和賈金鋒教授以及中科院物理所馬旭村研究員等組成的實驗研究團隊，也在國際上首先發展了三維拓撲絕緣體的分子束外延生長技術，制備出了高質量的薄膜。在此基礎上，他們利用超低溫掃描隧道顯微鏡和角分辨光電子譜等實驗手段，從實驗上證明了三維拓撲絕緣體一系列重要的特征，并在三維拓撲絕緣體材料制備方面取得了一定的進展。

張首晟他們的成功得到了世界范圍的廣泛關注，使我國在這一研究領域達到了國際領先水平，有望引領世界發展趨勢。這一成果，被評為當年中國十大科技進展第一名。

張首晟教授(左)與美國物理學會會長

2011年9月21日，中國科協第十三屆年會上，求是獎年度頒獎典禮隆重舉行。

張首晟憑借在拓撲絕緣體領域所作的開創性工作獲得了2011年度“求是杰出科學家獎”。清華大學物理系薛其坤、陳曦、賈金鋒以及中科院物理所方忠、馬旭村、戴希、張海軍也因三維拓撲絕緣體項目獲得“求是杰出科技成就集體獎”。而之前，“求是杰出科學家獎”曾多次授于中國兩彈一星的元勛。

兩項大獎同時頒給拓撲絕緣相關研究人員，一時間，拓撲絕緣體和張首晟成為業內外關注的焦點。

“作為一個中國人，能夠在國內得到這么高的榮譽，能夠與為國家作出過突出貢獻的前輩們得到同一個獎，真的是莫大的鼓舞。另一方面，個人和集體同時獲獎，更是對團隊的肯定和認可。”張首晟強調，不可否認，正是因為理論與實驗兩個團隊在研究過程中進行了廣泛而深入的合作，才使得他們能夠在較短時間內取得一系列重要進展。這種創新性的合作模式，將理論與實踐緊密結合，充分發揮了不同專長研究人員的優勢，能夠拓寬研究者的視野，更容易激發出科技創新的火花，為今后科研工作的開展提供了很好的借鑒。

就在2012年2月底隆重召開的美國物理學年會上，張首晟又榮獲了該組織在凝聚態領域的最高獎——Oliver Buckley 獎，其研究成果再次得到世界范圍的認可。

“雖然我們實現了理論上的預言，得到了比較清晰的圖像，但在具體材料的制備實現上還是存在很多困難，需要進一步攻關努力。”接下來，拓撲絕緣體的研究重點將放在材料制備上。

在悠閑中追求真理

張首晟有著非同尋常的學習和科研經歷。1978年，張首晟15歲，在沒有讀過高中的情況下，他完全依靠自學考入了復旦大學，一年后又赴德國求學于柏林自由大學。1983年取得物理學碩士學位后，又赴美國紐約州立大學石溪分校攻取博士學位，師從楊振寧教授。

1987年，他進入加州大學Santa Barbara分校進行博士后研究，直到1989年博士后出站，張首晟以高級研究員的身份開始了在IBM研究中心為期4年的科研工作。在此期間，他還因在半導體物理方面的著名研究獲得了“杰出貢獻獎”。

1993年，張首晟受聘于斯坦福大學物理系，并憑借過人的天賦、刻苦的努力和出色的研究成果，僅用兩年的時間，就成為斯坦福最年輕的正教授，年僅32歲。

在近30年的海外學習和科研過程中，張首晟在高溫超導、量子霍爾效應、自旋電子學、強關聯電子系統等方面進行了深入而細致的研究，尤其在凝聚態物理等研究方向上取得了大量國際一流的原始創新成果，提出了基于超導與反鐵磁相SO(5)對稱性的統一理論、室溫下無耗散的量子自旋流、四維量子霍爾效應等理論。

與此同時，他在世界一流刊物上發表論文100多篇，同時在物理學最具權威的刊物Physical Review Letters上發表了37篇高水平論文(影響因子7.2)。近年又在《自然》和《科學》雜志上發表了6篇有極大反響的論文，被SCI收錄雜志引用5000多次。

這一系列成果的獲得，使張首晟成為世界頂級的物理學家。而多個國家和科研機構的更換，不僅使他積累了豐富的研究經驗和人脈資源，更成就了他國際化的研究視野和理念，也為他今后的國際化合作研究打下了堅實的基礎。

成績斐然的背后，張首晟并沒有為繁重的工作所累，反而在勞逸結合間充分享受科學研究這一“奇妙”的過程。

他說，就像人類追求真善美一樣，科學研究也是一個追求美的過程。而在這個過程中，悠閑的環境和淡然的心態至關重要。因為，“科學理論研究與工程應用研究是有差別的。工程研究有明確目標，只要肯踏實研究遲早都能解決；而科學理論的研究則是完全未知的，要有一往無前的信念、萬折不撓的決心和一旦失敗就很可能全軍覆沒的心理準備。”張首晟認為，現在的中國所缺少的正是這樣一個環境，一個自由、寬容能夠讓大家全心追求美，在美中追求真理的環境。“人只有在放松的狀態下，才會有更活躍的思維，才能看得更遠，才能從一棵樹看到一片森林。”

張首晟教授(左)上臺領取美國物理學會凝聚態物理最高獎——Oliver Buckley 獎

科學理論研究存在極大的風險，選擇科研方向有時候全憑直覺。因此張首晟非常注重科學史的學習，不僅學習知識本身，更重視了解知識發現的過程。“在概念還比較模糊的時候，為什么有的人就能夠看得遠、看得準？”張首晟說：“我們就是要培養這種嗅覺和品味。”所以張首晟在培養學生的時候，便從這一點出發，以國際化的理念提攜后生、打造團隊，為世界物理學界不斷輸送著具備突出研究能力、國際化研究視野、強烈自主創新精神和合作意識的優秀研究人才。目前他己用這種理念培養了一批優秀的中外學生，在世界一流的高校任教，其中曾獲2010年美國斯隆研究獎的清華大學博士生祁曉亮就是一個最成功的例子。

作為一名科研工作者，張首晟的身上時常透出濃濃的書卷氣，言談間總是富含哲理。盛名之下的他，淡然面對身外的一切。他說自己會利用全世界最先進的資源，在拓撲絕緣體領域勇往直前，去為科學的發展和世界的進步帶去力所能及的改變。